LUENTO Kyösti Ryynänen REAALITODELLISUUS ILMASTOMALLIT HILA HILA PARAMETRISOINTI

Transkriptio

1 LUENTO Kyösti Ryynänen 1. MALLIT JA TODELLISUUS 2. TIETEIDEN KEHITTYMINEN 3. ILMASTOMALLIEN KEHITTYMINEN 4. LASKENTATEHON KEHITTYMINEN 5. HAVAINTOJEN KEHITTYMINEN 6. ILMASTOMALLIEN RAJOITUKSET 7. ILMASTOMALLIEN TULEVA KEHITYS 1 REAALITODELLISUUS Havaitsijasta ja malleista riippumaton reaalinen ilmasto-todellisuus Ilmastomallien kyky kuvata todellisuutta Ennusteiden perusteet ja epävarmuus mallien virheet, rajallisuus ja puutteet skenaarioiden epätarkkuus ihmisen toimista Luonnollisten tekijöiden ja ihmisen toiminnan vaikutus tulevaisuudessa 2 ilmakehä I maanpinta -- meret -- lumi ja jää näiden välillä lämpö, vesi ja liikemäärä vaihtuu edestakaisin kohti tasapainotilaa 3 HILA Hila ekvaattorilla 5 astetta x 5 astetta = noin 550kmx550km parametrisointi, jää/lumi-albedo takaisinkytkentä, monenlaiset tasapainotilat ja kaaos hilan muoto voi neliön (tai kuution) sijaan olla esim. kolmio (ICON) tai kahdeksankulmio, joista saadaan myös 3D-rakenteita 4 HILA 4-D mallit kun hilaa pienennetään, niin laskentaaskelten väliä pitää lyhentää (ilmiöiden fyysiset aikaskaalat), esim 200km ja 8min alailmakehässä ja yläilmakehässä tiheämpään kerroksia laskennassa, koska siellä tapahtuu helpommin asioita mallin annettava (stabiili) konvergoiva tulos 5 PARAMETRISOINTI Hilaa pienempiä ilmiöitä (joita ei voida laskea) arvioidaan parametrien asettamisen kautta, parametrit edustavat hilan alueella pienempien ilmiöiden esim. pilvisyyden aikaansaamaa keskimääräistä vaikutusta Malli ei näe tämän mittakaavan tapahtumia, piirteitä, olosuhteita jne. 6 1

2 HILOITTAIN RATKAISTAAN LEVEYSPIIRIEN SUUNTAINEN TUULI PITUUSPIIRIEN SUUNTAINEN TUULI PYSTYSUUNTAINEN TUULI TIHEYS PAINE LÄMPÖTILA 7 PRIMÄÄRIYHTÄLÖT AINEEN PERUSTILAYHTÄLÖT KAASUN TILANYHTÄLÖ Paine, lämpötila ja tiheys ( P = ρrt) LIIKE (tasossa) Leveyspiirien ja pituuspiirien suuntainen tuuli Leveysaste, painegradientti ja kitka HYDROSTAATTINEN TASAPAINOTILA Gravitaatio vastaan paine MASSAN JA ENERGIAN SÄILYMINEN 8 PARAMETRISOINTEJA ALBEDO (HEIJASTUVUUS) KONVEKTIO PILVET Massa, lämpö, kosteus, liike SÄTEILY TURBULENSSI RAJAPINNAT 9 MAANPINTA Korkeuserot vaikeita mallintaa mm. merten ja merenpohjan topografia mannerten korkeussuhteet vuoristojen sijainti ja korkeus Maan pyörimisnopeus Mallinnettava lämpö, haihtuminen ja albedo Albedolla tärkeä merkitys koko maapallon ilmastoa ajatellen 10 MERTEN MALLINTAMINEN MERIEN POHJAN MUODOT VAIKEITA MALLINNETTAVIA MERIVIRTOJEN REITIT VAIKEITA MALLINTAA MERTEN EKOSYSTEEMIT 11 Puutteita: interaktiivisuus eri ilmastojärjestelmän osien välillä puutteellista esim. hydrodynamiikan ohella runsaasti parametriarvioita elävän luonnon vaikutus harvoin mukana tietokoneresurssit asettavat oman rajansa tarkkuudelle satunnaisvaihtelujen vuoksi eri ilmastomallien mm. kylmät ja lämpimät vuodet eivät osu samoille vuosille Parannuksia: tarkemmat fysikaaliset teoriat (ilmakehä, valtameret, mannerjäätiköt, hiilenkierto) kosteikot ja ikirouta mukaan aerosolien kemiaa lisää mallien parantelu niiden antamien tulosten (ja havaintojen) kautta alkamassa kriittisten epäjatkuvuuskynnysten ylittyminen mukaan laskentakapasiteetin myötä tarkempia ennusteita 12 2

3 EPÄVARMUUSTEKIJÄT EPÄVARMUUSTEKIJÄT Mallien rajoitukset esim. ajallisesti suurin osa malleista on laadittu ennustamaan ilmaston kehitystä 2100-luvun loppuun, tämän jälkeen muutosten oletetaan usein voivan olla vieläkin suurempia ilmastomuutosten havaitsemisen ja eri tekijöiden merkittävyyden arvioinnin ongelma Epävarmuuden pienentäminen on jo pyritty havaitsemaan antropogeenisia muutoksia eli ennusteita ja malleja voidaan tarkentaa toteutuneiden ennusteiden osumatarkkuuden pohjalta ilmaston uudet satelliitti-havainnointilaitteet ja merten tutkimuksen uudet laitteet monitieteellinen ihmisen käyttäytymisen ja toiminnan ennustaminen ja vaikutus kasvihuonekaasupäästöjen nettomäärään tulevaisuudessa Varovaisuusperiaate koska kaikkia tekijöitä ei vielä tunneta ja ennusteet ovat epävarmoja, niin on parempi olla varovainen 13 Tieteellinen epävarmuus yksinkertaisista syy-seuraussuhteista ei kiistellä, esim. CO2:n määrän kaksinkertaistuessa, jos mikään muu ei muutu, niin lämpötila nousee 1,2C epätietoisuus piilee tuntemattomissa seikoissa ja kokonaisuuden kompleksisuudessa takaisinkytkentöjen tuntemuksessa puutteita malleissa puutteita pilvien ja merikierron kanssa menneisyyden mallintamisen esteenä puutteellinen data ja mallien sisäiset rajoitukset suurimmat epävarmuudet paikallisessa ennustamisessa suurimmat mahdolliset virhelähteet: kasvihuonekaasujen lähteet ja nielut, dynaamiset muutokset ja tulevaisuuden pitoisuuksien laskeminen pilvet ylipäänsä, joilla suuri vaikutus meret ylipäänsä, joilla ilmastonmuutoksen ajalliseen ja paikalliseen kehitykseen suuri vaikutus napajäätiköiden sulaminen, joilla meren pinnan korkeuteen suuri vaikutus 14 PARHAAT HadGem1, Hadley Centre Hilatasoja atmosfäärissä 38 päällekkäistä Hilatasoja merissä 40 päällekkäistä Hilankoko horisontaalisesti 135kmx135km (ilma) PARHAAT Max-Planck MPI-ESM Community Climate System Model (CCSM), NCAR ylläpitää Hilatasoja atmosfäärissä 26 päällekkäistä Hilatasoja merissä 40 päällekkäistä (10m - 250m pinnasta) Hilankoko horisontaalisesti 2.8 x 2.8 (ilma) Horisontaalisesti 1 x 1 (meri- ja jääalueet) MALLIEN TESTAUS 1. RINNAKKAISIA MALLEJA, JOISTA KONSENSUS (IPCC) 2. MALLIEN HERKKYYDEN TESTAUS 3. MALLIEN TILASTOLLINEN TESTAUS TULEVAISUUDEN Nykyisin pelkistetysti hiilen kierto ja osin biologiset prosessit, mutta ei interaktiivisuutta atmosfäärin ja merien kuljetuksessa Nykyisin dynamiikkaa ja fysiikkaa, mutta vähän interaktiivista kemiaa ja biologiaa Kehitteillä globaalit dynaamiset ja kemialliset kiertokulkuprosessimallit, jotka aikaansaavat hiilikierron sekä kaasujen kemiallinen muodostumisen muista kaasuista lähtien Odotettavissa lähivuosikymmeninä interaktiivisia ja kattavia dynamiikkaa, fysiikkaa, kemiaa ja biologisia prosesseja atmosfäärissä, merissä ja mantereilla kuvaavia ilmastomalleja Ambitiona lisätä malleihin vielä sosio-ekonominen ulottuvuus (ns. integroidut arviointi-mallit) Alueelliset ilmastomallit (hila 20-50km) laskentatehon kasvaessa

4 ENNUSTEET Eivät niinkään ole ennusteita vaan projektioita (perustuen erilaisiin skenaarioihin) Skenaariot ovat olettamuksia ihmisten käyttäytymisestä ja aktiviteeteista koskien mm. väkilukua, talouskasvua, energian kulutusta, käytettäviä energianlähteitä Lämpötila nousisi 2-6C astetta per 100 vuotta Merkitsisi vuosikymmenessä 0,2-0,6C astetta mikä on vaikeammin havaittavissa Lisääntyvät ääri-ilmiöt ovat helpommin (nopeammin) havaittavissa LÄMPÖTILAENNUSTEET ERILAISTEN SKENAARIOIDEN MUKAISIA LÄMPÖTILAN NOUSUENNUSTEITA B1 (pienehköt päästöt) 1,1 <-> 2,9C meri max +38cm A1T 1,4 <-> 3,8 B2 1,4 <-> 3,8 A1B 1,7 <-> 4,4 A2 2,0 <-> 5,4 A1FI (suuret päästöt) 2,4 <-> 6,4 meri max +59cm 1900-luvulla lämpötila nousi 0,7C ja meri +17cm Viime jääkaudesta lämpötila noussut 4-7C MEREN PINNAN KORKEUS PAIKALLISIA ENNUSTEITA sitten muutama aste nykyistä lämpimänpää, merenpinta 5-6m nykyistä korkeammalla, osia Grönlannissa ja Antarktiksesta sulia vuotta sitten jääpeite suurimmillaan jääkauden loppua kohti tultaessa, jolloin merenpinta yli 100m alempana Lämpölaajeneminen ja jääkaudelta jatkuvat prosessit, jotka nostavat edelleen merenpintaa ( vuotta sitten tapahtuneiden suurten jäätiköiden lähdön seurannaisvaikutuksena) Maapallon vesimäärän kokonaismuutokset tunnetaan huonosti, esim. vaikutus meriin, kun vettä sitoutuu pohjavesialtaisiin tai lisääntyneenä maaperän kosteutena Epävarmuusväli arvioissa 10cm 90cm nousu 2100 mennessä Florida, Vietnam ja Bangladesh rannikoiltaan vain 1m merenpinnan yläpuolella Merenpinta nousee eri määriä eri paikoissa maapalloa lämpölaajeneminen erisuuruista pohjavesien käyttö mannerten tektoninen liikkuminen paikallisten tekijöiden nettovaikutus 21 Mantereet lämpenevät 40% enemmän kuin meret verrattuna maapallon keskilämpötilaan, mistä vielä enemmän pohjoisilla leveysasteilla (lumi- ja jääpeitonmenetyksen takia) ja vähemmän Aasiassa kesällä ja Etelä-Amerikassa talvella Vähiten lämpenemistä Antartiksella ja Pohjois-Atlantilla, missä syvänveden muodostuminen (sekoittuminen) tehokasta Vähän lämpenemistä Arktiksen kesäaikaan Lämpötilan noustessa kausivaihtelut pienenevät päiväntasaajalla ja eteläisellä sirkumpolaarisella merialueella Vuorokauden aikaiset lämpötilaerot pienenevät kaikkialla, yölliset lämpötilat nousevat enemmän kuin päivälämpötilat 22 KASVIHUONEKAASUJEN STABILISAATIO Mille tasolle? Millä aikataululla? Millä keinoilla? Millä politiikalla? Ratkaisut? 23 CO ppm On esitetty realistisena tavoitetasona kustannuksia ja vaikutuksia arvioitaessa Miten tähän päästään? Kehittyneissä maissa? Kehittyvissä maissa? Kehitysmaissa? Jotta <450ppm CO2, olisi 2050 vähennettävä 85% vuoden 1990 tasosta, tämän jälkeen 2070-luvulla 0% päästöt 24 4

5 LÄHDEKIRJALLISUUS John Houghton: Global Warming, The Complete Briefing, Cambridge University Press, 2004 (1994) Hannu Karttunen, : Ilmakehä, sää ja ilmasto, Ursa, 2008 Jorma Keskitalo: Maapallon muuttuva ilmasto, Tammi, 2005 Maan ytimestä avaruuteen, Suomalaisen Tiedeakatemian 100 vuotta 2008 juhlaseminaari , esitelmät ja esitelmätiivistelmät Tannerin säätiön luento , Suuri juhlasali (HY), pääpuhujana IPCC:n puheenjohtaja Rajendra Pachauri Dos. Jouni Räisäsen (Fysikaalisten tieteiden laitos) esitelmä Observatoriolla (ja Kumpulassa sekä Porthaniassa): Maan ilmakehän mallit: fysikaaliset perusteet 25 5